MPSC 2023 पूर्व परीक्षा पेपर-१ · प्रश्न 63 / 100

बरोबर उत्तर पर्याय (4) — NH₃ पिरॅमिडल आणि BF₃ प्लेनर. दोन्ही रेणूंत मध्यवर्ती अणूला नेमके तीनच अणू जोडलेले आहेत, म्हणून त्यांचे आकार बंधांच्या संख्येवरून ठरू शकत नाहीत; ते ठरवणारी गोष्ट म्हणजे एकाकी इलेक्ट्रॉन जोडी. इथे वापरायचे साधन VSEPR सिद्धांत आहे, जो सांगतो की मध्यवर्ती अणूच्या संयुजा कवचातील इलेक्ट्रॉन जोड्या — बंध जोड्या आणि एकाकी जोड्या दोन्ही — एकमेकांपासून जास्तीत जास्त दूर जाऊन बसतात, आणि आपण ज्याला रेणूचा आकार म्हणतो ती फक्त अणूंची मांडणी असते; एकाकी जोडी त्या आकारात दिसत नाही, पण ती ढकलत मात्र असते. आधी अमोनिया पाहा. नायट्रोजनकडे पाच संयुजा इलेक्ट्रॉन असतात; त्यांपैकी तीन हायड्रोजनशी बंध करण्यात जातात आणि उरलेले दोन नायट्रोजनवरच एकाकी जोडी म्हणून राहतात. म्हणजे मध्यवर्ती अणूभोवती चार इलेक्ट्रॉन क्षेत्रे तयार होतात, ती चतुष्फलकीय मांडणीत बसतात आणि नायट्रोजनचे sp³ संकरीकरण होते. त्या चार जागांपैकी एक जागा अणूने नव्हे तर एकाकी जोडीने व्यापलेली असल्याने चारही केंद्रके मिळून चतुष्फलक तयार होत नाही : तीन हायड्रोजनच्या त्रिकोणी तळावर नायट्रोजन शिखरासारखा बसतो, आणि या आकाराला त्रिकोणी पिरॅमिडल म्हणतात. शिवाय एकाकी जोडी बंध जोड्यांना, त्या एकमेकांना ढकलतात त्यापेक्षा अधिक जोराने ढकलते, त्यामुळे H–N–H कोन नियमित चतुष्फलकीय 109.5° वरून सुमारे 107° पर्यंत आवळला जातो. आता बोरॉन ट्रायफ्लोराइड. बोरॉनकडे संयुजा इलेक्ट्रॉन फक्त तीनच असतात आणि तिन्ही फ्लोरिनशी बंध करण्यात वापरले जातात, म्हणून बंधनानंतरही त्याच्या संयुजा कवचात आठ नव्हे तर सहाच इलेक्ट्रॉन उरतात — हा इलेक्ट्रॉन-न्यून रेणू आहे आणि त्यावर एकही एकाकी जोडी नाही. तीन इलेक्ट्रॉन क्षेत्रे आणि दुसरे काहीच नाही, याचा अर्थ तिन्ही फ्लोरिन एकाच प्रतलात एकमेकांपासून 120° अंतरावर पसरतात, बोरॉनचे sp² संकरीकरण होते आणि रेणू त्रिकोणी प्लेनर बनतो — चारही अणू एकाच सपाट प्रतलात. म्हणून अमोनिया पिरॅमिडल आणि बोरॉन ट्रायफ्लोराइड प्लेनर, आणि पर्याय (4) नेमके तेच सांगतो. यातून सोबत न्यायचा निष्कर्ष म्हणजे आकारातील हा फरक ध्रुवीयतेतही फरक घडवतो : N–H आणि B–F हे वैयक्तिक बंध सर्वच ध्रुवीय आहेत, पण BF₃ च्या सममित प्रतलीय मांडणीत तिन्ही बंध द्विध्रुव अगदी नेमके एकमेकांना रद्द करतात आणि रेणू अध्रुवीय ठरतो; याउलट पिरॅमिडल अमोनियात ते रद्द होत नाहीत, उलट एकाकी जोडीच्या स्वतःच्या वाट्याशी मिळून जातात आणि अमोनिया स्पष्टपणे ध्रुवीय बनतो.

• (1)NH₃ – पिरॅमिडल आणि BF₃ – पिरॅमिडल — या पर्यायाचा पूर्वार्ध बरोबर आहे आणि उत्तरार्ध चूक, आणि नेमकी अर्धवट माहिती असणाऱ्या उमेदवाराला पकडण्यासाठीच अशा जोडी-पर्यायांची रचना केलेली असते. अमोनिया खरोखरच पिरॅमिडल आहे, पण BF₃ पिरॅमिडल होण्यासाठी बोरॉनवर एकाकी इलेक्ट्रॉन जोडी असावी लागेल — आणि तीच तिथे नाही. बोरॉनकडे संयुजा इलेक्ट्रॉन तीनच असतात आणि तिन्ही बंधांत खर्च होतात, म्हणून बंधनानंतर त्याच्याकडे उरलेली कोणतीही जोडी प्रतलाबाहेर ढकलण्यासाठी शिल्लक राहत नाही. मध्यवर्ती अणूभोवती तीन अणू म्हणजे रेणू आपोआप पिरॅमिडल, असे गृहीत धरणे ही इथली मूळ चूक; ती टाळण्यासाठी दर वेळी आधी मध्यवर्ती अणूचे संयुजा इलेक्ट्रॉन मोजून एकाकी जोडी आहे की नाही हे तपासावे.
• (2)NH₃ – प्लेनर आणि BF₃ – प्लेनर — इथे उत्तरार्ध बरोबर आणि पूर्वार्ध चूक — मागील पर्यायाच्या नेमका उलट. BF₃ खरोखरच त्रिकोणी प्लेनर आहे, पण अमोनिया प्लेनर नाही. अमोनिया प्लेनर मानण्याची चूक बहुधा इलेक्ट्रॉन जोड्यांची भूमिती आणि रेणूचा आकार यांची गल्लत केल्याने किंवा एकाकी जोडी मोजायचीच विसरल्याने होते. नायट्रोजनवरील ती जोडी चौथे इलेक्ट्रॉन क्षेत्र व्यापते, म्हणून तिन्ही N–H बंध एकाच प्रतलात राहू शकत नाहीत; ते खाली दाबले जाऊन नायट्रोजन शिखरावर उचलला जातो. जर अमोनिया प्रतलीय असता तर तीन बंध द्विध्रुव रद्द होऊन तो अध्रुवीय ठरला असता — प्रत्यक्षात अमोनिया ध्रुवीय आहे, पाण्यात मोठ्या प्रमाणात विरघळतो आणि हायड्रोजन बंध तयार करतो, आणि हा प्रत्यक्ष पुरावाच त्याचा प्रतलीय आकार नाकारतो.
• (3)NH₃ – प्लेनर आणि BF₃ – पिरॅमिडल — हा पर्याय दोन्ही आकार अदलाबदल करून देतो, म्हणजे दोन्ही अर्धे चुकीचे आहेत, आणि 'ज्याच्यावर एकाकी जोडी आहे तोच सपाट राहतो' असा नेमका उलटा नियम त्याच्यामागे आहे. VSEPR चा मुद्दा असा : मध्यवर्ती अणूभोवती जितकी इलेक्ट्रॉन क्षेत्रे तितकी मूळ भूमिती, आणि त्यांपैकी जी क्षेत्रे अणूंनी व्यापलेली नाहीत ती आकाराच्या नावातून वगळली जातात. नायट्रोजनकडे चार क्षेत्रे (तीन बंध + एक एकाकी जोडी) असल्याने मूळ मांडणी चतुष्फलकीय होते आणि आकार त्रिकोणी पिरॅमिडल उरतो; बोरॉनकडे तीनच क्षेत्रे असल्याने मूळ मांडणीच त्रिकोणी प्रतलीय होते आणि वगळण्यासारखे काहीच नसल्याने आकारही तोच राहतो. आयोगाने चारही संभाव्य जोड्या मुद्दाम छापल्या आहेत, म्हणून एक अर्धा भाग माहीत असून अंदाज बांधणाऱ्याला काहीच फायदा होत नाही.

रेणूचा आकार ठरवण्याची प्राथमिक चौकट म्हणजे VSEPR सिद्धांत — संयुजा कवच इलेक्ट्रॉन जोडी अपकर्षण. त्याचे गृहीतक साधे आहे : मध्यवर्ती अणूच्या संयुजा कवचातील इलेक्ट्रॉन जोड्या ऋणप्रभारित असल्याने एकमेकांना ढकलतात, आणि म्हणून त्या जास्तीत जास्त दूर जातील अशा मांडणीत बसतात. दोन क्षेत्रे असतील तर रेषीय, तीन असतील तर त्रिकोणी प्रतलीय, चार असतील तर चतुष्फलकीय, पाच असतील तर त्रिकोणी द्विपिरॅमिडल आणि सहा असतील तर अष्टफलकीय — ही इलेक्ट्रॉन जोड्यांची भूमिती. पण रेणूचा आकार सांगताना फक्त अणूंची जागा मोजली जाते; एकाकी जोड्या नावातून वगळल्या जातात, तरी त्यांचा दाब कोनांवर दिसतच राहतो. म्हणूनच चार-क्षेत्रांच्या कुटुंबातील मिथेनला चतुष्फलकीय, अमोनियाला त्रिकोणी पिरॅमिडल आणि पाण्याला दलकोनी म्हणतात, आणि त्यांचे बंधकोन 109.5°, सुमारे 107° व सुमारे 104.5° असे उतरत जातात. उतरण्याचे कारण अपकर्षणाचा क्रम आहे : एकाकी जोडी–एकाकी जोडी हे अपकर्षण सर्वांत मोठे, नंतर एकाकी जोडी–बंध जोडी, आणि सर्वांत लहान बंध जोडी–बंध जोडी. या चौकटीला जोडून येणारी दुसरी संकल्पना संकरीकरणाची : sp हे रेषीय, sp² हे त्रिकोणी प्रतलीय आणि sp³ हे चतुष्फलकीय मांडणीशी जुळते, म्हणून क्षेत्रांची संख्या मोजली की संकरीकरणही आपोआप मिळते. तिसरा धागा अष्टक नियमाच्या मर्यादेचा आहे : बोरॉन व बेरिलियम हे स्थिर असूनही अष्टक पूर्ण करत नाहीत, BF₃ मध्ये बोरॉनभोवती सहाच इलेक्ट्रॉन असतात, आणि त्यामुळेच BF₃ हा प्रबळ लुईस आम्ल ठरतो तर एकाकी जोडी असलेला NH₃ लुईस आम्लारी; दोघे मिळून H₃N→BF₃ हा योगशील रेणू बनतो, ज्यात बोरॉन sp³ होऊन तो भागही पिरॅमिडल होतो. शेवटी आकार व ध्रुवीयतेचा संबंध : ध्रुवीय बंध असूनही सममित आकारामुळे रेणू अध्रुवीय राहू शकतो, आणि BF₃, CO₂ व CCl₄ ही त्याचीच उदाहरणे आहेत.

एमपीएससीच्या विज्ञान विभागातील रसायनशास्त्र फार खोल जात नाही, पण रेणूचा आकार, संकरीकरण, बंधकोन आणि ध्रुवीयता हा गट नियमितपणे येतो, कारण तो पाठांतरावर नव्हे तर एका छोट्या नियमावर सुटतो आणि म्हणून वस्तुनिष्ठ प्रश्नासाठी आदर्श आहे. या प्रश्नाची रचना विशेष लक्षात घेण्यासारखी : चार पर्यायांत पिरॅमिडल व प्लेनर या दोन आकारांच्या चारही शक्य जोड्या छापल्या आहेत, म्हणजे एका रेणूचा आकार माहीत असून दुसऱ्याचा अंदाज बांधणाऱ्या उमेदवाराची संधी अगदी अर्धीच उरते. जोडी-पर्यायांचे हे स्वरूप आयोग वारंवार वापरते आणि त्यावरचा उपाय एकच — दोन्ही भाग स्वतंत्रपणे ठरवून मगच पर्याय निवडणे. दुसरे म्हणजे या प्रश्नाची जोडी NH₃ व BF₃ हीही ठरवून निवडलेली आहे : दोन्हींत मध्यवर्ती अणूला तीनच अणू जोडलेले आहेत, त्यामुळे बंधांची संख्या मोजून उत्तर काढण्याचा मार्ग बंद होतो आणि एकाकी जोडी आहे की नाही हेच तपासावे लागते. तयारीसाठी उपयोगी सवय म्हणजे मूठभर रेणूंची यादी आकार-संकरीकरण-बंधकोन-ध्रुवीयता अशा चार स्तंभांत लिहून काढणे — CH₄, NH₃, H₂O, BF₃, CO₂, PCl₅, SF₆ — कारण या विभागातील बहुतेक प्रश्न याच यादीतूनच येतात. मराठी स्तंभात रासायनिक सूत्रे लॅटिन लिपीत आणि आकारांची नावे देवनागरीत लिप्यंतरित ('पिरॅमिडल', 'प्लेनर') छापली आहेत, हेही नोंदवण्याजोगे.

• अमोनियात नायट्रोजनभोवती चार इलेक्ट्रॉन क्षेत्रे असतात — तीन बंध जोड्या व एक एकाकी जोडी — म्हणून नायट्रोजनचे sp³ संकरीकरण होते, इलेक्ट्रॉन मांडणी चतुष्फलकीय असते आणि रेणूचा आकार त्रिकोणी पिरॅमिडल असून बंधकोन सुमारे 107° असतो.
• बोरॉन ट्रायफ्लोराइडमध्ये बोरॉनभोवती तीनच बंध क्षेत्रे असतात आणि एकही एकाकी जोडी नसते, म्हणून बोरॉनचे sp² संकरीकरण होते आणि रेणू त्रिकोणी प्लेनर असतो; F–B–F कोन 120° आणि चारही अणू एकाच प्रतलात.
• BF₃ मधील बोरॉनभोवती बंधनानंतरही फक्त सहा इलेक्ट्रॉन असतात, म्हणून हा रेणू इलेक्ट्रॉन-न्यून व प्रबळ लुईस आम्ल आहे, तर एकाकी जोडी असणारा अमोनिया लुईस आम्लारी आहे; दोघे मिळून H₃N→BF₃ हा योगशील रेणू बनतो, ज्यात बोरॉन sp³ होऊन BF₃ भागही पिरॅमिडल होतो.
• VSEPR मधील अपकर्षणाचा क्रम एकाकी जोडी–एकाकी जोडी > एकाकी जोडी–बंध जोडी > बंध जोडी–बंध जोडी असा असतो, म्हणूनच मिथेन 109.5°, अमोनिया सुमारे 107° आणि पाणी सुमारे 104.5° अशा क्रमाने बंधकोन आवळत जातात.
• तीन ध्रुवीय B–F बंध असूनही BF₃ अध्रुवीय आहे, कारण सममित त्रिकोणी प्रतलीय भूमितीत तिन्ही बंध द्विध्रुव नेमके रद्द होतात; अमोनियाच्या पिरॅमिडल भूमितीत असे रद्द होणे शक्य नसल्याने त्याला लक्षणीय द्विध्रुव परिबल असते.

• फक्त जोडलेल्या अणूंच्या संख्येवरून आकार ठरवणे — त्यामुळे अमोनिया व बोरॉन ट्रायफ्लोराइड सारखेच दिसतात, तर त्यांना वेगळे करणारी गोष्ट एकाकी जोडी आहे की नाही हीच आहे
• इलेक्ट्रॉन जोड्यांची भूमिती आणि रेणूचा आकार यांची गल्लत करून अमोनियाला चतुष्फलकीय म्हणणे, कारण त्याची चार इलेक्ट्रॉन क्षेत्रे चतुष्फलकीय मांडणीत असतात
• ध्रुवीय बंध असलेला रेणू ध्रुवीयच असणार असे मानणे, तर BF₃ सारख्या सममित मांडणीत बंध द्विध्रुव नेमके रद्द होतात
• प्रत्येक मध्यवर्ती अणूचे अष्टक पूर्ण होतेच असे गृहीत धरणे, तर बोरॉन सहा आणि बेरिलियम चार संयुजा इलेक्ट्रॉनांसह स्थिर इलेक्ट्रॉन-न्यून रेणू बनवतात
• जोडी-पर्यायातील एक अर्धा भाग माहीत असून दुसऱ्याचा अंदाज बांधणे, तर आयोगाने चारही शक्य जोड्या मुद्दाम छापल्यामुळे अर्धवट माहितीला काहीही मोबदला मिळत नाही

रेणूचा आकार हा विषय एमपीएससीत तीन ठरावीक रूपांत येतो : दिलेल्या रेणूचा आकार ओळखा, दिलेल्या रेणूतील मध्यवर्ती अणूचे संकरीकरण सांगा, किंवा दोन रेणूंच्या बंधकोनांची तुलना करा. विचारले जाणारे रेणूही मर्यादित यादीतूनच येतात — CH₄, NH₃, H₂O, BF₃, CO₂, SO₂, PCl₅, SF₆, H₃O⁺ आणि NH₄⁺ — म्हणून ही यादी एकदा नीट लिहून काढली की या गटावर पकड येते. इथे वापरलेले जोडी-स्वरूप, म्हणजे एका पर्यायात दोन रेणूंचे दोन दावे एकत्र देणे, हे आयोगाचे आवडते रूप आहे, कारण त्यामुळे अंदाजाची शक्यता निम्म्यावर येते आणि अर्धवट तयारीला शिक्षा होते. NH₃ व BF₃ ही जोडी तर या विषयातील सर्वांत जुनी उदाहरण-जोडी असून एकाकी जोडीचे महत्त्व दाखवण्यासाठीच पाठ्यपुस्तकांत ती वापरली जाते; त्याच जोडीचा विस्तार म्हणून पुढे लुईस आम्ल–आम्लारी आणि H₃N→BF₃ हा योगशील रेणूही विचारला जाऊ शकतो.

या प्रश्नाशी थेट संबंधित मागील PYQ आढळला नाही.

• सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही

  H₂O रेणूतील ऑक्सिजनचे संकरीकरण आणि रेणूचा आकार अनुक्रमे कोणता आहे ?

  • (a)sp – रेषीय
  • (b)sp² – त्रिकोणी प्रतलीय
  • (c)sp³ – दलकोनी
  • (d)sp³ – चतुष्फलकीय

  उत्तर(c) sp³ – दलकोनी — पाण्यात ऑक्सिजनभोवती चार इलेक्ट्रॉन क्षेत्रे असतात : दोन बंध जोड्या आणि दोन एकाकी जोड्या. चार क्षेत्रांमुळे संकरीकरण sp³ आणि इलेक्ट्रॉन मांडणी चतुष्फलकीय होते, पण आकाराच्या नावात फक्त अणूंची जागा मोजली जात असल्याने रेणू दलकोनी ठरतो आणि दोन एकाकी जोड्यांच्या अपकर्षणामुळे बंधकोन 109.5° वरून सुमारे 104.5° पर्यंत आवळला जातो. 'चतुष्फलकीय' हा पर्याय भूमिती व आकार यांची गल्लत करणाऱ्यासाठीच ठेवला आहे.

• सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही

  खालीलपैकी कोणता रेणू ध्रुवीय बंध असूनही एकूण अध्रुवीय आहे ?

  • (a)H₂O
  • (b)NH₃
  • (c)BF₃
  • (d)HCl

  उत्तर(c) BF₃ — B–F हा बंध ध्रुवीय आहे कारण फ्लोरिनची विद्युतऋणता बोरॉनपेक्षा खूप जास्त आहे; पण रेणू सममित त्रिकोणी प्रतलीय असल्याने तिन्ही बंध द्विध्रुव 120° च्या मांडणीत नेमके एकमेकांना रद्द करतात आणि निव्वळ द्विध्रुव परिबल शून्य होते. H₂O व NH₃ यांच्यावर एकाकी जोड्या असल्याने त्यांची मांडणी असममित होते आणि ते ध्रुवीय राहतात, तर HCl हा द्विअणुक ध्रुवीय रेणू आहे.